ADAMS仿真軟件在多管火箭炮定向管中的應(yīng)用

趙韶斌，楊 臻，劉 佳

（1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中國人民解放軍第6904工廠，山西 太原 030006）

多管火箭武器作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的壓制性武器，具有射程遠、威力大、機動性好、反應(yīng)快等優(yōu)點，但是多管火箭武器的射擊精度限制了它的應(yīng)用范圍。火箭彈在發(fā)射階段的精度受兩部分因素的影響，即初始擾動和飛行擾動［1］。初始擾動不僅與火箭彈本身有關(guān)，也與發(fā)射系統(tǒng)有關(guān)。對于發(fā)射系統(tǒng)來說，火箭炮定向管的壁厚也是影響火箭彈初始擾動的一個因素。因此建立正確的物理模型，以此來研究和討論多管火箭武器在不同定向管壁厚下火箭彈的初始擾動情況是一件很有意義的工作，能對火箭炮的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 初始擾動計算的理論基礎(chǔ)

火箭彈發(fā)射過程中，定向管與其直接接觸，因此，想要研究整個發(fā)射裝置的振動對火箭彈初始擾動的影響，只需研究火箭彈出炮口時定向管的振動對火箭彈初始擾動的影響即可［2］。

圖1為火箭彈出定向管口時的示意圖。oxy是靜坐標(biāo)系，x軸為定向管靜態(tài)時的軸線，與水平軸X的夾角為θ（即高低射角）；RyHxH為動坐標(biāo)系，點R為火箭彈后定心部的質(zhì)心，點O′為火箭彈的質(zhì)心。軸x1為定向管的軸線，軸為火箭彈的軸線，lR為火箭彈質(zhì)心到火箭彈后定心部的距離，lB為火箭彈前后定心部之間的距離。作如下假設(shè)［3］：①定向管軸線x1的角位移為β，M點的x坐標(biāo)xM近似為常數(shù)；②不考慮彈管間隙和定向管微彎曲的影響，在半約束期開始瞬間（t＝tf）彈軸x′1與軸x1重合且有相同的角速度，直到半約束期結(jié)束（t＝t0）火箭彈后定心部質(zhì)心R始終位于軸x1上。則點R的y軸坐標(biāo)為：

其中：yR與xR分別為點R的y坐標(biāo)與x坐標(biāo)；yM與xM分別為點M的y坐標(biāo)與x坐標(biāo)。

圖1 火箭彈出定向管口時的示意圖

將式（1）對時間求導(dǎo)可得R點的縱向速度與縱向加速度：

其中：v為火箭彈前定心部質(zhì)心與后定心部質(zhì)心相對于動坐標(biāo)系水平方向的速度；a為火箭彈前定心部質(zhì)心與后定心部質(zhì)心相對于動坐標(biāo)系水平方向的加速度。

在tf到t0時間內(nèi)，對高低平面內(nèi)彈軸擺動微分方程IR＝－mlRaRy（其中，IR為火箭彈相對于彈軸質(zhì)心的慣性矩為火箭彈跳動角加速度，m為火箭彈的質(zhì)量）積分可得到火箭彈在半約束期內(nèi)高低平面內(nèi)的初始擾動：

其中：RA為火箭彈的赤道回轉(zhuǎn)半徑；為火箭彈前定心部出定向管口時定向管高低方向上的角速度。

將式（2）代入式（4）并化簡，最終得到高低方向初始擾動的具體表達式為：

2 動力學(xué)模型

2.1 模型的簡化［4］

由于多管火箭炮結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接在ADAMS中建立動力學(xué)模型比較困難，因此先在SolidWorks中建立模型，然后保存為x＿t格式的文件，再導(dǎo)入ADAMS中。圖2為導(dǎo)入ADAMS中添加完各種約束條件的多管火箭炮動力學(xué)模型。

圖2 多管火箭炮動力學(xué)模型

多管火箭武器是復(fù)雜的機械系統(tǒng)，系統(tǒng)的各部件在發(fā)射時都會產(chǎn)生相應(yīng)的運動，對多管火箭武器進行發(fā)射動力學(xué)分析，必須對整個系統(tǒng)進行合理的簡化，直接用多體動力學(xué)軟件建立完整的仿真模型是不現(xiàn)實的。通過合理的簡化后該模型主要包括左右箱體、轉(zhuǎn)塔、底座3大部分。其中，左右箱體靠轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)塔聯(lián)接，左右箱體又包括定向管、前隔板、中隔板、后隔板、蒙皮、側(cè)板和火箭彈等，轉(zhuǎn)塔包括高低機與方向機等。各部分約束關(guān)系如下：①假設(shè)底座固定不動，用固定副與地面聯(lián)接；②起落部分和轉(zhuǎn)塔之間有相對轉(zhuǎn)動的運動關(guān)系，可以用旋轉(zhuǎn)副來模擬，同時在旋轉(zhuǎn)副上施加具有結(jié)構(gòu)阻尼的扭簧來等效高低機的柔性效應(yīng)；③轉(zhuǎn)塔與底座之間有相對轉(zhuǎn)動的運動關(guān)系，可以用旋轉(zhuǎn)副來模擬，同時在旋轉(zhuǎn)副上施加具有結(jié)構(gòu)阻尼的扭簧來等效方向機的柔性效應(yīng)。

2.2 外部激勵的施加

火箭發(fā)動機工作時不斷噴出燃氣作功，為火箭彈提供動力。燃料的不斷燃燒導(dǎo)致火箭彈的質(zhì)量減少，但是在定向管內(nèi)的工作時間極短，故而忽略質(zhì)量的變化。整個動力學(xué)仿真過程中，火箭發(fā)動機推力經(jīng)過5 ms后達到穩(wěn)定推力，發(fā)動機工作時間（約為0.8s）遠大于火箭彈在定向管內(nèi)的運動時間（約為0.064s），穩(wěn)定推力為10.8kN，發(fā)動機工作0.8s后推力降為0 N。某發(fā)火箭彈發(fā)動機的推力函數(shù)表達式為：IF（TIME：0，0，IF（TIME－0.8：AKISPL（TIME，0，SPLINE＿1，0），0，0）），發(fā)動機推力—時間曲線如圖3所示?；鸺龔椗c定向管之間的碰撞與摩擦用ADAMS中的IMRACT接觸碰撞模型模擬。

圖3 發(fā)動機推力—時間曲線

3 動力學(xué)計算結(jié)果分析

模型建立完畢后，根據(jù)相關(guān)資料和以往的設(shè)計經(jīng)驗，分別計算了火箭炮定向管壁厚為2.2mm，2.4 mm，2.6mm，2.8mm，3.0mm，3.2mm，3.5mm這7種情況下模型的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果。圖4～圖7為定向管壁厚為2.2mm時的動態(tài)響應(yīng)曲線。

圖4 定向管口高低方向線速度曲線

在ADAMS中能夠方便地測出tf＝0.038 4s，t0＝0.053s，這樣通過圖4～圖7得到的曲線就可以計算出火箭彈在高低方向上的初始擾動φ·10以及火箭彈在水平方向上的初始擾動φ·20。表1為計算得到的不同壁厚下的各擾動值。

圖5 定向管口水平方向線速度曲線

圖6 定向管口高低方向角速度曲線

圖7 定向管口水平方向角速度曲線

表1 定向管不同壁厚下的各擾動值

為了更加直觀地比較各種情況下的φ·10與φ·20，將表1中的值繪制成曲線，如圖8所示。

圖8 定向管不同壁厚下的擾動值曲線

通過對表1和圖8的分析可知：①火箭彈在水平方向上的起始擾動要大于在高低方向上的起始擾動；②φ與的值在定向管壁厚為2.4mm時最小，且它們的綜合效應(yīng)也是在壁厚為2.4mm時最小。由此可以得到，當(dāng)火箭炮定向管壁厚為2.4mm時，火箭彈發(fā)射時起始擾動最小，這一數(shù)值是較為合理的定向管壁厚值。

4 結(jié)論

通過分析計算與對比，發(fā)現(xiàn)火箭彈的初始擾動會隨定向管壁厚的變化而變化。所以，確定一個合理的壁厚值是非常有意義的，在本模型中，當(dāng)定向管壁厚為2.4mm時，火箭彈的初始擾動值最小。

［1］姚昌仁，唐國梁.火箭導(dǎo)彈發(fā)射動力學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1996.

［2］趙崗，馬大為.基于起始擾動仿真的火箭炮動力因素匹配研究［J］.計算機工程與設(shè)計，2007（1）：43-47.

［3］賀北斗，林永明.火箭發(fā)射裝置設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1988.

［4］鄭建榮.ADAMS虛擬樣機技術(shù)入門與提高［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.